中國粉體網(wǎng)訊 近日,，據(jù)央視報道,，我國正在攻關(guān)的JF-22超高速風洞,，是研制新一代飛行器的搖籃，預(yù)計2022年建成,。它可以復(fù)現(xiàn)40到100公里高空,、速度約30倍聲速的飛行條件。超高速風洞為飛行器的高聲速飛行提供了必要條件,，但由于高聲速飛行器機體表面溫度隨著速度的提高而提高,，在高速飛行時往往能夠達到2000℃甚至3000℃，因此對超高溫材料的性能提出了嚴峻的挑戰(zhàn),。
圖片來源：央視軍事
1 為什么選擇超高溫陶瓷材料,？
現(xiàn)有的高溫合金材料密度大、成本高,，抗氧化性能差,；Cf/SiC復(fù)合材料由于基體活性氧化長時間使用不能超過1650℃；C/C復(fù)合材料雖然具有輕質(zhì)的特點,，但無保護層時超過500℃即開始急劇氧化,。因此，前述熱防護材料體系已不能滿足高超聲速飛行器熱防護系統(tǒng)的需要,，超高溫陶瓷材料以其優(yōu)異的綜合性能有望成為新一代高溫熱防護材料,，是目前高溫熱防護材料的研究前沿。目前效果比較好的,，已經(jīng)應(yīng)用的主要是超高溫陶瓷材料,。
2 什么是超高溫陶瓷,？
超高溫陶瓷是指在高溫環(huán)境下（2000℃）以及反應(yīng)氣氛中（例如在原子氧環(huán)境中）能夠保持物理與化學穩(wěn)定性的一種特殊材料，是具有優(yōu)良的高溫力學性能,、高溫抗氧化性和抗熱震性的陶瓷基復(fù)合材料,。
超高溫陶瓷主要是由高熔點硼化物與碳化物組成，主要包括硼化鉿（HfB2）,、硼化鋯（ZrB2）,、碳化鉿（HfC）、碳化鋯（ZrC）,、碳化鉭（TaC）等,。硼化物、碳化物超高溫陶瓷的熔點均超過3000℃,，具有優(yōu)良的熱化學穩(wěn)定性和優(yōu)異的物理性能,，包括高彈性模量、高硬度,、低飽和蒸汽壓、適中的熱膨脹率和良好抗熱震性能等,，并且能在高溫下保持很高的強度,。表1是常見的超高溫陶瓷的熱物理性能。
表1 常見超高溫陶瓷的性能
超高溫陶瓷能夠適應(yīng)超高音速長時飛行,、大氣層再入,、跨大氣層飛行與火箭推進系統(tǒng)等極端環(huán)境，可以應(yīng)用于飛行器鼻錐,、機翼前緣,、發(fā)動機熱端等各種關(guān)鍵部件。作為應(yīng)用在航空航天飛行器上的重要材料,，超高溫陶瓷材料得到各國的高度關(guān)注,。
3 超高溫陶瓷分類
超高溫陶瓷主要分為硼化物超高溫陶瓷、碳化物超高溫陶瓷兩大類,，以下對其進行簡要介紹,。
3.1 硼化物超高溫陶瓷
超高溫硼化物主要有硼化鉿（HfB2）、硼化鋯（ZrB2）,、硼化鉭（TaB2）和硼化鈦（TiB2）等,，目前對硼化鋯（ZrB2）和硼化鉿（HfB2）的研究最為集中。
硼化物超高溫陶瓷（UHTCs）由較強的共價鍵構(gòu)成,，具有高熔點,、高硬度、高強度,、低蒸發(fā)率,、高熱導率與電導率等特點,，但共價鍵較強的特性導致了其具有難以燒結(jié)和致密化的缺點。為了改善其燒結(jié)性能,，提高致密度,，可以通過提高反應(yīng)物的表面能、降低生成物的晶界能,、提高材料的體擴散率,、加快物質(zhì)的傳輸速率以及提高傳質(zhì)動力學等方法來解決。
3.2 碳化物超高溫陶瓷
碳化物超高溫陶瓷具有高熔點,、高強度,、高硬度及良好的化學穩(wěn)定性，是應(yīng)用廣泛的超高溫陶瓷材料,，目前常用的碳化物超高溫陶瓷主要包括碳化硅（SiC）,、碳化鋯（ZrC）、碳化鉭（TaC）和碳化鉿（HfC）,。
碳化鉿（HfC）,、碳化鋯（ZrC）和碳化鉭（TaC）的熔點與其氧化物相比高得多，不經(jīng)歷任何固相相變,，具有較好的抗熱震性能,，在高溫下仍具有較高的強度。但是,，這類碳化物超高溫陶瓷的斷裂韌性和抗氧化性相對較低,，通常采用纖維進行增強增韌。
碳氧化物的燒結(jié)性,、致密程度等對氧的擴散有很大影響,。硼硅玻璃與金屬碳氧化物相比相對致密，對氧的擴散有更好的抑制作用,。這也是迄今為止,，摻硅硼化物超高溫陶瓷得到廣泛研究的原因之一。
4 超高溫陶瓷基復(fù)合材料制備
制備碳化物,、硼化物超高溫陶瓷基復(fù)合材料的方法主要為燒結(jié)致密化工藝,，包括熱壓燒結(jié)(HP)、反應(yīng)熱壓燒結(jié)(ＲHP),、無壓燒結(jié)(PS)和放電等離子燒結(jié)(SPS)等,。
4.1 熱壓燒結(jié)(HP)
熱壓燒結(jié)(HP)是將原料粉體填充進模具內(nèi)，從單軸方向同時進行加壓,、加熱的燒結(jié)方法,，又可分為真空熱壓、氣氛熱壓,、熱等靜壓,、振動熱壓,、均衡熱壓、超高壓燒結(jié)等,。
熱壓時,，粉體處于熱塑性狀態(tài)，形變阻力較小,，易于塑性流動和致密化,，所需成型壓力較小。同時加熱,、加壓有助于粉體顆粒的接觸和擴散,、流動等傳質(zhì)過程，降低燒結(jié)溫度和縮短燒結(jié)時間,，從而抑制了晶粒的長大,。熱壓法能生產(chǎn)形狀較復(fù)雜、尺寸較精確的產(chǎn)品,，但是,，熱壓燒結(jié)受粉體純度影響增大，雜質(zhì)會引起晶粒異常長大,，容易出現(xiàn)微裂紋,，且生產(chǎn)率較低，成本較高,。為了降低燒結(jié)溫度，粉體粒度要盡量小,，同時需要加入合適的燒結(jié)助劑,。
4.2 反應(yīng)熱壓燒結(jié)(ＲHP)
反應(yīng)熱壓燒結(jié)(ＲHP)是利用原料之間的化學反應(yīng)并結(jié)合熱壓燒結(jié)工藝形成的一種燒結(jié)工藝。ＲHP的燒結(jié)溫度較低,，材料致密度高,，無需進行粉體制備，成本相對較低,。ＲHP主要包含原位反應(yīng)和燒結(jié)致密化這2個過程,。通常使用前驅(qū)體粉體Zr、B4C和Si的原位反應(yīng)來制備超高溫陶瓷材料,。
4.3 無壓燒結(jié)(PS)
無壓燒結(jié)(PS)是在常壓下對原料進行加熱成型,，是一種最簡單的燒結(jié)方法，適用于不同形狀,、尺寸構(gòu)件的制備,，溫度便于控制，但是得到的材料致密度較低,，原料粒度和燒結(jié)助劑對材料致密度的影響很大,。
4.4 放電等離子燒結(jié)(SPS)
放電等離子燒結(jié)(SPS)是將高能脈沖電流通入裝有粉體的模具上,，在粉體顆粒間產(chǎn)生等離子體放電進行加熱燒結(jié)，是一種燒結(jié)溫度低,、速度快,、致密化程度高的燒結(jié)工藝，缺點是制備的樣品形狀簡單,、體積較小,。
5 結(jié)語
超高溫陶瓷基復(fù)合材料因其優(yōu)異的綜合性能，在航空航天和武器裝備領(lǐng)域具有極好的發(fā)展前景,，現(xiàn)階段對于超高溫陶瓷基復(fù)合材料的力學性能,、抗氧化燒蝕性能、抗熱沖擊性能以及微觀結(jié)構(gòu)及性能機理的研究已經(jīng)充分證明其在高溫結(jié)構(gòu)材料中的特殊地位,，但是還有大量未知的機理與性能需要探索,，許多實際應(yīng)用的問題需要克服。對于超高溫陶瓷材料的研究雖道阻且長,，但行則將至,！
參考文獻：
【1】楊路平，等.超高溫材料的研究進展.佛山陶瓷.2017.
【2】嚴春雷,，等.超高溫陶瓷材料研究進展.硅酸鹽通報.2017.
【3】齊方方,，等.超高溫陶瓷基復(fù)合材料制備與性能的研究進展.濟南大學學報.2019.
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/星耀）
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